Advanced Science: Mesostigma viride 基因组和转录组揭示植物单细胞到多细胞的进化及陆生植物的起源

单细胞生物到多细胞生物的进化,是生命进化史上的重要里程碑。这种演化分别在动物,植物,真菌等进化分支中独立发生,包括所有作物的陆生植物起源于轮藻 (Charophyte)。迄今为止,已报道基因组的陆生植物及轮藻都属于多细胞植物。由于单细胞轮藻基因组信息的缺失,研究人员无法了解从单细胞到多细胞的进化及陆生植物起源。

Mesostigma viride是目前已知的最古老单细胞轮藻,获得其基因组、转录组和表观组信息,是揭示整个植物起源和演化的关键节点,并对解释地球生命进化史以及植物约10亿年前的早期分化(split of Charophyta and Chlorophyta)具有重要意义。M. viride和多细胞陆生植物基因组的比较分析,可揭示基因及基因组的进化,以及陆生植物多种性状(细胞结构,激素,有性生殖等)的起源及进化。分析比较M. viride和多细胞陆生植物的基因表达调控方式,包括转录调控,表观调控等,对揭示植物生长发育和响应外界各种胁迫的分子机制的进化具有重大意义。

中国农业科学院、新加坡国立大学以及福州大学联合对最古老的单细胞轮藻Mesostigma viride基因组、转录组和表观组进行了测序和深入分析。通过二代illumina,三代PacBio测序以及高质量光学图谱,研究人员组装获得了高质量的Mesostigma viride 基因组,此基因组为首个单细胞轮藻基因组,并利用不同生长条件小的二代转录组及三代全长转录组对基因组进行了注释。M. viride基因组大小为442 Mb,富含重复序列,并发现可能的基因组复制(genome duplication)事件。比较基因组分析揭示了单细胞轮藻已经拥有了大量和陆生植物性状相关的遗传信息。研究发现了陆生植物从单细胞“祖先”继承的“遗传工具”,包括细胞分裂、细胞信号、有性生殖、光合作用、DNA甲基化、小RNA及转录因子调控的基因表达。另外,研究发现单细胞到多细胞的进化伴随着许多新的变化,包括细胞壁合成、植物激素、RNA甲基化及一些对逆境的响应等。

该研究不但揭示了植物从单细胞到多细胞的进化与陆生植物的起源,还阐述了光合途径的进化,对逆境响应以及表观调控基因表达等机制,为高等植物如粮食作物抗逆、高光效乃至高产品种改良方面的基础研究和实践育种提供了新思路,具有极大的指导意义。

该研究以“Mesostigma viride Genome and Transcriptome Provide Insights into the Origin and Evolution of Streptophyta”为题,发表在Advanced Science (DOI:10.1002/advs.201901850)上,第一作者为新加坡国立大学梁哲博士、中国农业科学院生物技术研究所耿玉珂博士、百迈客生物科技纪长绵和西南大学杜海副教授,通讯作者为新加坡国立大学俞皓教授、中国农业科学院生物技术研究所谷晓峰研究员和张芃芃研究员、福州大学韩霄教授。